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タンパク質は、細胞内で絶えず合成と分解を繰り返しており、動的なリサイクル（新陳代謝）システムを構成している。この新陳代謝の中心はタンパク質分解が担っている。タンパク質分解は多様な生体反応を不可逆的に制御する方法として発生や分化など様々な生命現象に不可欠な役割を果たしている。細胞内に生じた不良品の積極的な除去に深く関与しているほか、良品であっても不要な（細胞活動に支障をきたす）場合、あるいは緊急時の栄養素の確保のために、積極的に作動される。このようにタンパク質は細胞内でリサイクルし, 動的平衡を保つことによって身体の中を浄化（不要品のクリアランス）して新鮮さを保ち、健康を維持している。 | |||
真核生物の細胞内には進化的に高度に保存された二つの大規模なタンパク質分解系、即ちユビキチン・プロテアソームシステム（UPS）とオートファジー・リソソームシステムが存在している。前者のUPSは選択的タンパク質を担う中心的な酵素系であり、後者は一般に非選択的なタンパク質を担っているが、最近、選択的なオートファジーが数多く発見され、注目されている（詳細は、オートファジーの項参照）。そしてこれらのタンパク質分解しステムは、時空間的に厳密に制御されており、その破綻が高齢化社会を迎えた今日急増しているガンや神経変性疾患などの重篤疾患を引き起こすことが相次いで判明している。 | 真核生物の細胞内には進化的に高度に保存された二つの大規模なタンパク質分解系、即ちユビキチン・プロテアソームシステム（UPS）とオートファジー・リソソームシステムが存在している。前者のUPSは選択的タンパク質を担う中心的な酵素系であり、後者は一般に非選択的なタンパク質を担っているが、最近、選択的なオートファジーが数多く発見され、注目されている（詳細は、オートファジーの項参照）。そしてこれらのタンパク質分解しステムは、時空間的に厳密に制御されており、その破綻が高齢化社会を迎えた今日急増しているガンや神経変性疾患などの重篤疾患を引き起こすことが相次いで判明している。 | ||
== ユビキチンシステム == | == プロテアソームとは == | ||
=== ユビキチンシステム === | |||
[[image:プロテオソーム1.jpg|thumb|350px|'''図1．ユビキチン・プロテアソームシステム'''<br>Ub：ユビキチン、E1: Ub活性化酵素、E2: Ub結合酵素、E3: Ubリガーゼ、DUB: 脱ユビキチン酵素。基質を選別するE3酵素は、HECT型とRING型に大別される。26Sプロテアソームは不要なユビキチン化タンパク質をエネルギー依存的に分解する巨大で複雑なタンパク質分解酵素複合体である。（その他の詳細は本文及び文献<ref name=ref22><pubmed>19165213</pubmed></ref>参照）。UPSの作動機構においてエネルギー（ATPの加水分解）は、基質のユビキチン化（E1の作用）と26Sプロテアソームによる分解作用（基質のアンフォールディング）の二つのプロセスに必要である。]] | [[image:プロテオソーム1.jpg|thumb|350px|'''図1．ユビキチン・プロテアソームシステム'''<br>Ub：ユビキチン、E1: Ub活性化酵素、E2: Ub結合酵素、E3: Ubリガーゼ、DUB: 脱ユビキチン酵素。基質を選別するE3酵素は、HECT型とRING型に大別される。26Sプロテアソームは不要なユビキチン化タンパク質をエネルギー依存的に分解する巨大で複雑なタンパク質分解酵素複合体である。（その他の詳細は本文及び文献<ref name=ref22><pubmed>19165213</pubmed></ref>参照）。UPSの作動機構においてエネルギー（ATPの加水分解）は、基質のユビキチン化（E1の作用）と26Sプロテアソームによる分解作用（基質のアンフォールディング）の二つのプロセスに必要である。]] | ||
1977年、米国ハーバード大学のGoldbergのグループは網状赤血球の抽出液がエネルギー依存性のタンパク質分解活性を示すことを見いだした<ref name=ref1><pubmed>264694</pubmed></ref>。その後間もなく、イスラエルのHershkoとCiechanoverは、米国のRoseと共に、熱安定性の小さなタンパク質であるユビキチンがその主役であることを見出した。 | |||
ユビキチンは76個のアミノ酸からなる小さなタンパク質であり、進化的保存性が高くそのアミノ酸配列は全ての真核生物でほとんど同じである。1980年頃までに彼らは、ユビキチンが活性化酵素（E1）・結合酵素（E2）・リガーゼ（E3）から構成された複合酵素系（ユビキチンシステム）によって標的タンパク質に共有結合（ユビキチンのC末端のカルボキシル基とタンパク質中のリジン残基のε-アミノ基が縮合したイソペプチド結合）する翻訳後修飾分子（モディファイヤー）であることを明らかにした（図1）<ref name=ref2><pubmed>1323239</pubmed></ref> <ref name=ref3><pubmed>9759494</pubmed></ref>。このE1の作用にはATPの加水分解、即ちエネルギーが必要である。そしてタンパク質に結合したユビキチン内の（主として48番目の）リジン残基と新しいユビキチン分子内のC末端のグリシンの間でイソペプチド結合ができ、さらにユビキチン分子間での縮合反応を繰り返すことによって，多数のユビキチン分子が鎖状に伸長したポリユビキチン鎖が形成されることが判明した。1980年前後、Hershkoら及びVarshavskyらは生じたポリユビキチン鎖が基質タンパク質を分解装置に輸送するためのシグナル（目印）として機能するという“ユビキチンシグナル”仮説を提唱した<ref name=ref2 /> <ref name=ref3 /> <ref name=ref4><pubmed>11017125</pubmed></ref>。この仮説は、ポリユビキチン鎖の形成が（オーバーオールの反応としては）分解シグナルの提示反応であるが、実際に起きている化学反応は（イソ）ペプチド結合の形成（タンパク質合成と類似の反応）であり、エネルギー要求性を説明できた。2004年、ユビキチンシステムの発見者たち3名は、ノーベル化学賞を受賞した。 | |||
===プロテアソームの発見=== | |||
1983年、われわれはユビキチン化タンパク質の分解にATPのエネルギーが必要であることを見出し、同じくエネルギーを必要とするユビキチン間のステップに加え、“エネルギー依存性タンパク質分解機構の2段階説”を発表した<ref name=ref6><pubmed>6304111</pubmed></ref>。後に、このATP要求性のタンパク質分解反応を触媒する酵素が、真核生物のATP依存性プロテアーゼであることが判明し、1988年、Proteasome（protease活性を有した巨大粒子〜some）と命名した（厳密には20Sプロテアソームの発見に対する命名：後述）。 | |||
== | ==分子構造と作動機構 == | ||
[[image:プロテオソーム2.jpg|thumb|350px|'''図2．26S プロテアソームの構造モデル：分子形状とサブユニット構成'''<br>左図：26Sプロテアソーム（CPとRPの複合体）の電子顕微鏡による分子形状（単粒子解析: 独マックスプランク研究所W. Baumeister・S. Nickellから供与）。U：ユビキチン。<br>右図：サブユニットの構成モデル．CP（20Sプロテアソーム）はα/βリングがαββαの順に会合した円柱状粒子。RP（PA700）はlid（蓋部）とbase（基底部）から構成された複合体。RPはRpn（RP non-ATPase）とRpt（RP triple-ATPase）サブユニット群から構成されている。Rpn10、Rpn13：ポリユビキチンリセプター、Rpn11：DUB、 β1 (カスパーゼ様活性), β2(トリプシン様活性), β5(キモトリプシン様活性)：触媒サブユニット。図には示していないが、USP14はRpn1に、そして Uch37はRpn13を介してRpn2に会合している（図3参照）。]] | [[image:プロテオソーム2.jpg|thumb|350px|'''図2．26S プロテアソームの構造モデル：分子形状とサブユニット構成'''<br>左図：26Sプロテアソーム（CPとRPの複合体）の電子顕微鏡による分子形状（単粒子解析: 独マックスプランク研究所W. Baumeister・S. Nickellから供与）。U：ユビキチン。<br>右図：サブユニットの構成モデル．CP（20Sプロテアソーム）はα/βリングがαββαの順に会合した円柱状粒子。RP（PA700）はlid（蓋部）とbase（基底部）から構成された複合体。RPはRpn（RP non-ATPase）とRpt（RP triple-ATPase）サブユニット群から構成されている。Rpn10、Rpn13：ポリユビキチンリセプター、Rpn11：DUB、 β1 (カスパーゼ様活性), β2(トリプシン様活性), β5(キモトリプシン様活性)：触媒サブユニット。図には示していないが、USP14はRpn1に、そして Uch37はRpn13を介してRpn2に会合している（図3参照）。]] | ||
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[[image:プロテオソーム4.jpg|thumb|350px|'''図4．26Sプロテアソームの分子集合機構パスウエイ'''<br>詳細は本文及び文献<ref name=ref25><pubmed>22350895</pubmed></ref>参照。]] | [[image:プロテオソーム4.jpg|thumb|350px|'''図4．26Sプロテアソームの分子集合機構パスウエイ'''<br>詳細は本文及び文献<ref name=ref25><pubmed>22350895</pubmed></ref>参照。]] | ||
（この部分、調節因子と活性化因子という単語が使われていますが、同じものかと思います。御統一を御願い致します。） | （この部分、調節因子と活性化因子という単語が使われていますが、同じものかと思います。御統一を御願い致します。） | ||
このユビキチン化タンパク質を分解する巨大なタンパク質分解装置は、真核生物のATP依存性プロテアーゼ（26Sプロテアソーム）であり、触媒粒子であるcore particle（CP、別名20Sプロテアソーム）の両端に調節粒子であるregulatory particle (19S RP)が会合した分子量250万、総サブユニット数66個から構成された多成分複合体であることが判明した（図2）<ref name=ref7><pubmed>8811196</pubmed></ref> <ref name=ref8><pubmed>9476896</pubmed></ref> <ref name=ref9><pubmed>19145068</pubmed></ref>。原子レベルでの構造は不明であり、現在、Cryo-electron microscopy（Cryo-EM：極低温電子顕微鏡）による単粒子解析が進行中である<ref name=ref10><pubmed>21098295</pubmed></ref>。 | |||
またregulatory particle (19S RP)以外の活性化因子の存在や、20Sプロテアソームが活性化因子の介在なしに単独で、天然変成タンパク質や酸化修飾タンパク質を直接分解することも報告されている<ref name=ref20><pubmed>18636510</pubmed></ref> <ref name=ref21><pubmed>20498273</pubmed></ref>。 | |||
===Core particle=== | ===Core particle=== | ||
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==プロテアソーム複合体形成に関与するシャペロン分子== | ==プロテアソーム複合体形成に関与するシャペロン分子== | ||
プロテアソームはの分子集合には専門的な多数のシャペロン分子が関与している（図4）<ref name=ref22><pubmed>19165213</pubmed></ref> <ref name=ref23><pubmed>21461838</pubmed></ref> | プロテアソームはの分子集合には専門的な多数のシャペロン分子が関与している（図4）<ref name=ref22><pubmed>19165213</pubmed></ref> <ref name=ref23><pubmed>21461838</pubmed></ref>。 | ||
===Proteasome Assembling Chaperone=== | |||
20Sプロテアソームの形成に特化した分子シャペロンであるPAC（Proteasome Assembling Chaperone）1-4は、生合成された7種のαサブユニットと階層性をもって結合し、αリングの形成を促進する。PAC1/PAC2ヘテロ二量体はαリング同士の凝集体の形成を阻止する働きを示し、PAC3/PAC4ヘテロ二量体はαリング上へのαサブユニットの段階的な会合を促進して、迅速に正確なαリングを形成させる。βサブユニット群は、逐次的にαリング上に会合してβリングを形成する。この段階的な会合にはβ2やβ5のプロペプチド及びβ2のC末端伸長領域などが“分子内シャペロン”として作用する<ref name=ref22><pubmed>19165213</pubmed></ref>。 | |||
===Ump1/POMP/Proteassemblin=== | |||
βサブユニットの会合やハーフ・プロテアソームの重合プロセスに関与している<ref name=ref22><pubmed>19165213</pubmed></ref> <ref name=ref24><pubmed>18786393</pubmed></ref>。 | |||
===RP assembling chaperones RAC 1-4=== | |||
一方、調節部位である 19S RPの分子集合機構についても、最近、baseを構成するATPase リングの分子集合に関与する4種のbaseシャペロン分子が発見された。これら4分子は、当初、プロテアソームと一時的に結合するタンパク質（proteasome-interacting proteins、 PIPs：数十個存在）として同定されていた分子群、即ちNas2/p27、Nas6/gankyrin (p28)、Rpn14/PAAF1、Hsm3/S5b（出芽酵母／ヒト）であった<ref name=ref25><pubmed>22350895</pubmed></ref>。これらは最近、RP assembling chaperones RAC 1-4とも呼ばれている<ref name=ref23 />。 | |||
===UBP6/USP14=== | |||
ユビキチン鎖のbase中間体への偶発的な結合を阻止し、base複合体の形成を促進する<ref name=ref26><pubmed>21658604</pubmed></ref>。 | |||
== | == 生理機能== | ||
[[image:プロテオソーム5.jpg|thumb|350px|'''図5．プロテアソームの多様性：免疫型酵素の発見'''<br>詳細は本文参照。図は文献<ref name=ref39><pubmed>19935803</pubmed></ref>の図を改変。]] | [[image:プロテオソーム5.jpg|thumb|350px|'''図5．プロテアソームの多様性：免疫型酵素の発見'''<br>詳細は本文参照。図は文献<ref name=ref39><pubmed>19935803</pubmed></ref>の図を改変。]] | ||
ユビキチン-プロテアソーム系をコードする遺伝子の数は、ゲノム総遺伝子数の3〜5 %を占めると推定されており、細胞周期・DNA修復・アポトーシス・シグナル伝達・転写制御・代謝調節・免疫応答・品質管理・ストレス応答・感染応答など、迅速に、順序よく、一過的にかつ一方向に決定する合理的な手段として多様で重要な役割を担っている<ref name=ref27><pubmed>21860393</pubmed></ref>。この多様な生理作用は、細胞内における標的タンパク質の量の厳密な制御を反映しており、とくにユビキチンシステムの多様性に負うところが大きい。一方、プロテアソームは分解系としての役割以外に、前駆体タンパク質のプロセシングによる活性型への転換（例えば、NF-κBの成熟プロセス）やその生成ペプチドを抗原エピトープとして利用するなどポジティブな生命応答に貢献していることも知られている。とくに後者は、適応（獲得）免疫の中心的なテーマである自己と非自己の識別において必須な役割を果たすために、プロテアソームのアイソフォーム（免疫型プロテアソーム）（図5）を造成して対処するといった手段を駆使している<ref name=ref28><pubmed>9700509</pubmed></ref> <ref name=ref29><pubmed>12078479</pubmed></ref> <ref name=ref30><pubmed>21387144</pubmed></ref>。 | |||
具体的な例を示すと、主要組織適合性遺伝子複合体MHCを獲得した有顎脊椎動物ではプロテアソームはMHCクラスI結合ペプチド産生の必須酵素でもあり、CD8+T細胞を介した細胞性免疫応答に不可欠な役割を果たしている。われわれは、このときウイルスやガン抗原等の内在性抗原のプロセシング酵素として専門的に作用する酵素が存在することを見出し、標準/構成型プロテアソーム（standard/constitutive proteasome）と区別して、1994年、“免疫プロテアソーム（immunoproteasome）”と名付けた<ref name=ref31><pubmed>8066462</pubmed></ref> <ref name=ref32><pubmed>8666937</pubmed></ref> <ref name=ref33><pubmed>7964165</pubmed></ref>。この亜型酵素はインターフェロンγ（IFNγ）などのサイトカインにより強く誘導される３種の新しいβ型触媒サブユニット（β1i, β2i, β5i）が優先的分子集合機構によって分子内置換した酵素である。免疫プロテアソームは高いキモトリプシン様活性を有し、MHCクラスIのペプチド収容溝に高い親和性をもつペプチドを効率的に産生することができる（分子レベルでの自己と非自己の識別）。当初免疫プロテアソームは抗原プロセシングに特化した酵素と見られていたが、最近、免疫プロテアソームが有害タンパク質の凝集阻止を通してインターフェロン依存的な酸化ストレスによる細胞死を防御していること<ref name=ref34><pubmed>20723761</pubmed></ref>やβ5iの特異的な阻害剤PR-957がサイトカインの産生や自己抗体レベルを低下させることから自己免疫疾患に関与していること<ref name=ref35><pubmed>19525961</pubmed></ref> <ref name=ref36><pubmed>20010787</pubmed></ref>などの新たな役割を担っていることが示唆されている。 | 具体的な例を示すと、主要組織適合性遺伝子複合体MHCを獲得した有顎脊椎動物ではプロテアソームはMHCクラスI結合ペプチド産生の必須酵素でもあり、CD8+T細胞を介した細胞性免疫応答に不可欠な役割を果たしている。われわれは、このときウイルスやガン抗原等の内在性抗原のプロセシング酵素として専門的に作用する酵素が存在することを見出し、標準/構成型プロテアソーム（standard/constitutive proteasome）と区別して、1994年、“免疫プロテアソーム（immunoproteasome）”と名付けた<ref name=ref31><pubmed>8066462</pubmed></ref> <ref name=ref32><pubmed>8666937</pubmed></ref> <ref name=ref33><pubmed>7964165</pubmed></ref>。この亜型酵素はインターフェロンγ（IFNγ）などのサイトカインにより強く誘導される３種の新しいβ型触媒サブユニット（β1i, β2i, β5i）が優先的分子集合機構によって分子内置換した酵素である。免疫プロテアソームは高いキモトリプシン様活性を有し、MHCクラスIのペプチド収容溝に高い親和性をもつペプチドを効率的に産生することができる（分子レベルでの自己と非自己の識別）。当初免疫プロテアソームは抗原プロセシングに特化した酵素と見られていたが、最近、免疫プロテアソームが有害タンパク質の凝集阻止を通してインターフェロン依存的な酸化ストレスによる細胞死を防御していること<ref name=ref34><pubmed>20723761</pubmed></ref>やβ5iの特異的な阻害剤PR-957がサイトカインの産生や自己抗体レベルを低下させることから自己免疫疾患に関与していること<ref name=ref35><pubmed>19525961</pubmed></ref> <ref name=ref36><pubmed>20010787</pubmed></ref>などの新たな役割を担っていることが示唆されている。 | ||